工程師必備：硬件EMC設(shè)計(jì)規(guī)范

一、引言

廣義的電磁兼容控制技術(shù)包括抑制干擾源的發(fā)射和提高干擾接收器的敏感度，我們都知道干擾源、干擾傳輸途徑和干擾接收器是電磁干擾的三要素，同時(shí)EMC也是圍繞這些問(wèn)題進(jìn)行研究，而運(yùn)用最為廣泛的抑制方法是屏蔽、濾波和接地，用它們來(lái)切斷干擾的傳輸途徑。

本文將著重在單板的EMC設(shè)計(jì)上，介紹一些重要的EMC知識(shí)及法則。在最初電路板的設(shè)計(jì)階段就著手考慮對(duì)電磁兼容的設(shè)計(jì)，種類包括公共阻抗耦合、串?dāng)_、高頻載流導(dǎo)線產(chǎn)生的輻射和通過(guò)由互連布線和印制線形成的回路噪聲等。

在高速邏輯電路里，這類問(wèn)題特別脆弱，原因很多：

（1）電源與地線的阻抗隨頻率增加而增加，公共阻抗耦合的發(fā)生比較頻繁；
（2）信號(hào)頻率較高，通過(guò)寄生電容耦合到步線較有效，串?dāng)_發(fā)生更容易；
（3）信號(hào)回路尺寸與時(shí)鐘頻率及其諧波的波長(zhǎng)相比擬，輻射更加顯著；
（4）引起信號(hào)線路反射的阻抗不匹配問(wèn)題。

二、總體概念及考慮

1. 五一五規(guī)則，即時(shí)鐘頻率到5MHz或脈沖上升時(shí)間小于5ns，則PCB板須采用多層板。
2. 不同電源平面不能重疊。
3. 公共阻抗耦合問(wèn)題。

模型：

VN1＝I2ZG為電源I2流經(jīng)地平面阻抗ZG而在1號(hào)電路感應(yīng)的噪聲電壓。

由于地平面電流可能由多個(gè)源產(chǎn)生，感應(yīng)噪聲可能高過(guò)模電的靈敏度或數(shù)電的抗擾度。

解決辦法：
（1）模擬與數(shù)字電路應(yīng)有各自的回路，最后單點(diǎn)接地；
（2）電源線與回線越寬越好；
（3）縮短印制線長(zhǎng)度；
（4）電源分配系統(tǒng)去耦。

4. 減小環(huán)路面積及兩環(huán)路的交鏈面積。

5. 一個(gè)重要思想是：PCB上的EMC主要取決于直流電源線的Z

三、布局

下面是電路板布局準(zhǔn)則：

1. 晶振盡可能靠近處理器。
2. 模擬電路與數(shù)字電路占不同的區(qū)域。
3. 高頻放在PCB板的邊緣，并逐層排列。
4. 用地填充空著的區(qū)域。

四、布線

1. 電源線與回線盡可能靠近，最好的方法各走一面。
2. 為模擬電路提供一條零伏回線，信號(hào)線與回程線小與5：1。
3. 針對(duì)長(zhǎng)平行走線的串?dāng)_，增加其間距或在走線之間加一根零伏線。
4. 手工時(shí)鐘布線，遠(yuǎn)離I/O電路，可考慮加專用信號(hào)回程線。
5. 關(guān)鍵線路如復(fù)位線等接近地回線; 為使串?dāng)_減至最小，采用雙面＃字型布線。
6. 高速線避免走直角; 強(qiáng)弱信號(hào)線分開(kāi)。

五、屏蔽

1. 屏蔽 > 模型：

屏蔽效能SE(dB)＝反射損耗R(dB)＋吸收損耗A(dB)

高頻射頻屏蔽的關(guān)鍵是反射，吸收是低頻磁場(chǎng)屏蔽的關(guān)鍵機(jī)理。

2. 工作頻率低于1MHz時(shí)，噪聲一般由電場(chǎng)或磁場(chǎng)引起，(磁場(chǎng)引起時(shí)干擾，一般在幾百赫茲以內(nèi))，1MHz以上，考慮電磁干擾。單板上的屏蔽實(shí)體包括變壓器、傳感器、放大器、DC/DC模塊等。更大的涉及單板間、子架、機(jī)架的屏蔽。

3. 靜電屏蔽不要求屏蔽體是封閉的，只要求高電導(dǎo)率材料和接地兩點(diǎn)。電磁屏蔽不要求接地，但要求感應(yīng)電流在上有通路，故必須閉合。磁屏蔽要求高磁導(dǎo)率的材料做 封閉的屏蔽體，為了讓渦流產(chǎn)生的磁通和干擾產(chǎn)生的磁通相消達(dá)到吸收的目的，對(duì)材料有厚度的要求。高頻情況下，三者可以統(tǒng)一，即用高電導(dǎo)率材料(如銅)封閉并接地。

4. 對(duì)低頻，高電導(dǎo)率的材料吸收衰減少，對(duì)磁場(chǎng)屏蔽效果不好，需采用高磁導(dǎo)率的材料(如鍍鋅鐵)。

5. 磁場(chǎng)屏蔽還取決于厚度、幾何形狀、孔洞的最大線性尺寸。

6. 磁耦合感應(yīng)的噪聲電壓UN＝j(luò)wB.A.coso＝j(luò)wM.I1，(A為電路2閉合環(huán)路時(shí)面積；B為磁通密度；M為互感；I1為干擾電路的電流。降低噪聲電壓，有兩個(gè)途徑，對(duì)接收電路而言，B、A和COS0必須減小；對(duì)干擾源而言，M和I1必須減小。雙絞線是個(gè)很好例子。它大大減小電路的環(huán)路面積，并同時(shí)在絞合的另一根芯線上產(chǎn)生相反的電動(dòng)勢(shì)。

7. 防止電磁泄露的經(jīng)驗(yàn)公式：縫隙尺寸

六、接地

1. 300KHz以下一般單點(diǎn)接地，以上多點(diǎn)接地，混合接地頻率范圍50KHz～10MHz。另一種分法是：

2. 接地方式：樹(shù)形接地

信號(hào)電路屏蔽罩的接地（接地點(diǎn)選在放大器等輸出端的地線上）

3. 對(duì)于射頻電路接地，要求接地線盡量要短或者根本不用接線而實(shí)現(xiàn)接地。最好的接地線是扁平銅編織帶。當(dāng)?shù)鼐€長(zhǎng)度是λ/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，阻抗會(huì)很高，同時(shí)相當(dāng)λ/4天線，向外輻射干擾信號(hào)。

4. 單板內(nèi)數(shù)字地、模擬地有多個(gè)，只允許提供一個(gè)共地點(diǎn)，接地還包括用導(dǎo)線做電源回線和搭接等。

七、濾波

1. 選擇EMI信號(hào)濾波器濾除導(dǎo)線上工作不需要的高頻干擾成份，解決高頻電磁輻射與接收干擾。它要保證良好接地。分線路板安裝濾波器、貫通濾波器、連接器濾波器。從電路形式分，有單電容型、單電感型、L型、π型。π型濾波器通帶到阻帶的過(guò)渡性能最好，最能保證工作信號(hào)質(zhì)量。

一個(gè)典型信號(hào)的頻譜：

2. 選擇交直流電源濾波器抑制內(nèi)外電源線上的傳導(dǎo)和輻射干擾，既防止EMI進(jìn)入電網(wǎng)，危害其它電路，又保護(hù)設(shè)備自身。它不衰減工頻功率。DM(差摸)干擾在頻率 <1mhz時(shí)占主導(dǎo)地位。cm> 1MHz時(shí)，占主導(dǎo)地位。

3. 使用鐵氧體磁珠安裝在元件的引線上，用作高頻電路的去耦，濾波以及寄生振蕩的抑制。

4. 盡可能對(duì)芯片的電源去耦(1-100nF)，對(duì)進(jìn)入板極的直流電源及穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行濾波(uF)

注意減小電容引線電感，提高諧振頻率，高頻應(yīng)用時(shí)甚至可以采取四芯電容。電容的選取是非常講究的問(wèn)題，也是單板EMC控制的手段。

八、其他

從傳輸線的阻抗匹配到元器件的EMC控制，從生產(chǎn)工藝到扎線方法，從編碼技術(shù)到軟件抗干擾等都是屬于單板的干擾抑制。一個(gè)機(jī)器的孕育及誕生實(shí)際上是EMC工程，最重要的是需要工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)中提高和加強(qiáng)EMC意識(shí)。